原子磁强计原子气室无磁加热温控系统设计

吴红卫 郑盼盼 王远超 顾思洪，

（1 中国科学院大学，北京，100049；2 中国科学院武汉物理与数学研究所，原子频标重点实验室，湖北武汉，430071；3 武汉中科开物技术有限公司，湖北武汉，430074）

1 引 言

原子磁强计是通过探测磁场中的原子与光的相互作用实现磁场测量的仪器，在地球资源探测、材料特性研究、医学疾病诊断和生物磁信号检测等领域有着广泛的应用［1－4］。 原子气室是原子磁强计探头的重要组成部分，为磁强计提供较高密度的工作原子。 气室内原子密度正比于气室温度，因此需要温控系统将原子气室加热并控制在特定温度以获得所要求的的原子密度。 从磁场测量精度考虑，温控系统对原子气室产生的干扰磁场应尽可能小，因此研究原子气室无磁温控技术对提高原子磁强计性能有重要意义。

高精度原子磁强计温控系统对原子气室通常采用热气流加热、高频电加热、间断电加热和激光加热四种加热方式［5］。 热气流加热方式通过将加热后的气流引入探头实现对原子气室的加热，这种加热方式的优点是无干扰磁场，但温度稳定性不高，且系统复杂；间断电加热方式通过对加热器件输入间断加热电流实现对原子气室的加热，加热与磁场测量间断进行，这种加热方式的优点是加热电流不会对测量结果产生影响，但对磁场无法连续测量，且温度的稳定性不高；激光加热方式优点是无干扰磁场，但该方式成本高、结构复杂且加热激光的光功率稳定性有较高要求；高频电加热方式加热电流会产生电磁干扰，但该方式温度稳定性高、且结构简单容易集成。

用于无人机上实现对地磁场测量的原子磁强计要求具有小体积、高精度和高测量带宽的特点，因此本文采用了高频电加热方式的原子气室温控系统，针对加热电流产生的电磁干扰，设计了双层加热丝加热膜结构的加热器件，能够有效地抑制加热电流磁场噪声。 高频电加热方式的无磁加热温控系统组成框图如图1所示，温度传感器将原子气室温度转换为电信号后输入温度采集电路，模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）将温度采集电路采集的模拟信号转换为数字信号然后输入给主控制器，主控制器对温度测量值实施滤波处理后，根据温度测量值与设定值之间的差值计算得到需要的加热功率并反馈控制加热电流的幅值，功率放大电路对加热信号的功率放大后，输入给加热器件实现对原子气室的温度控制。

图1 无磁加热温控系统组成框图Fig.1 Block diagram of non－magnetism heating temperature control system

2 无磁加热温控系统设计

2.1 加热器件结构设计

无磁加热温控系统的加热器件采用加热丝，将加热丝平行靠近布置，由于相邻的加热丝流过的电流方向相反，大小相等，产生的磁场在空间上相互抵消，抑制了加热电流引入的磁场噪声。 距离为2a的两根平行导线上的电流在空间P（x，y）点产生的磁场示意图如图2所示。

在图2 中，导线1 和导线2 上分别流过大小相等的反向电流I 和－I，到P（x，y）的距离分别为l1和l2，则在P（x，y）点产生的磁感应强度为［6］

式中：μ0——真空磁导率。

图2 平行电流在空间P 点产生的磁场示意图Fig.2 The magnetic field generated by the parallel current at point P

由式（1）可以看出，当a 越小时，l1与l2的差值越小，则Bx与By的值越小，在空间上磁场抵消的效果更好。 通常采用手工绕制双绞线或者四绞线的方式实现大小相等的反向电流，但双绞线或四绞线的绕制精度难以得到保证，通过机械加工的方式将加热丝平行固定到薄膜材料上，加热丝之间的距离与手工绕制的双绞线间距相当但精度更高，可以更好地抑制加热电流产生的磁场，以方形螺旋结构为例，单层结构加热丝加热膜如图3（a）所示。

为了进一步提高磁场抑制能力，将加热丝上下对称地分别固定在加热膜两面，形成双层加热丝结构，如图3（b）所示，双层加热丝加热膜不仅利用同层平行反向电流抑制磁场噪声，还利用层间平行反向电流进一步抵消空间磁场，磁场抑制效果更佳。

图3 加热膜结构图Fig.3 Heating film structure

利用电磁场分析软件ANSYS MAXWELL 对设计的加热膜上流过的电流产生的感应磁场进行了分析。 实际应用中，加热膜紧贴于边长为12mm 的正方体原子气室，气室壁厚1mm，如图4所示。 仿真区域设置为原子气室内部空间，即X 轴方向仿真范围为（ －5，0，1）至（5，0，1），Y 轴方向仿真范围为：（0，－5，1）至（0，5，1），Z 轴方向仿真范围为（0，0，1）至（0，0，11），同层加热丝之间的距离设置为0.15mm，双层加热丝之间的距离设置为0.07mm，加热丝的工作电流设置为200mA。

图4 原子气室内部空间磁场仿真示意图Fig.4 Magnetic field simulation region of atomic vapor cell

流过单层和双层方形螺旋结构加热丝加热膜的电流在三个轴向产生的磁场仿真结果如图5所示。 通过计算得到，流过方形螺旋单层加热丝加热膜的电流在原子气室内部X，Y，Z 三个轴向产生的磁场感应强度平均值分别为7.38μT，6.91μT，2.05μT，流过双层加热丝加热膜的电流在原子气室内部X，Y，Z 三个轴向产生的磁场感应强度平均值分别为0.61μT，0.63μT，0.12μT，方形螺旋结构双层加热丝加热膜较单层加热丝加热膜在三个轴向磁场抑制性能分别提升约12.1 倍，10.97 倍，17.08 倍。

图5 单层和双层方形螺旋结构加热丝加热膜三个轴向上磁场分布Fig.5 The magnetic field distribution in X，Y，Z axes of heating film with single-layer and double-layer square spiral structure

我们仿真了流过不同结构的双层加热丝加热膜的电流产生的感应磁场。 方形蛇形加热丝结构如图6（a）所示，圆形螺旋加热丝结构如图6（b）所示，流过方形蛇形结构和圆形螺旋结构双层加热丝加热膜的电流在三个轴向上磁场分布的仿真结果如图7所示。

图6 不同加热丝的结构对比Fig.6 Comparison between Heating wires with different structures

图7 方形蛇形结构和圆形螺旋结构双层加热丝加热膜三个轴向上磁场分布Fig.7 The magnetic field distribution in X，Y，Z axes of double layer heating film with square serpentine structure and circular spiral structure

通过计算得到，流过方形蛇形结构的双层加热丝加热膜的电流在X，Y，Z 三个轴向上产生的磁场强度平均值分别为0.37μT，0.36μT，0.091μT，流过圆形螺旋结构的双层加热丝加热膜的电流在X，Y，Z 三个轴向上产生的磁场强度平均值分别为0. 8μT，0.82μT，0.21μT，流过方形蛇形结构的双层加热丝加热膜的电流较流过其它两种结构的加热膜的电流产生的磁场更小，本系统无磁加热温控系统加热器件采用方形蛇形双层加热丝加热膜结构。

2.2 滑动平均滤波器

ADC 将温度数据送入主控制器后，先通过滑动平均滤波器对温度数据进行滤波以减小随机噪声的干扰。 滑动平均滤波器具有结构简单、响应时间快以及抑制噪声效果好的特点［7］，其迭代公式为

式中：x（k）——滤波前的温度数据；y（i）——滑动平均滤波后的温度数据；N——数据平均个数。

在随机噪声干扰下，温度数据x（k）由信号s（k）和噪声e（k）组成，可以表示为

将式（3）代入式（2），可以得到

温度在一个采样周期内sN是一个缓变的物理量，可以近似认为

式中：s0——单次采样值。

由于e（k）服从同一分布且相互独立，则

式中：e0——单次采样的噪声值。

将式（6）代入式（5），可以得到

N 次采样值的平均值sN的信噪比为

2.3 高频加热信号产生电路和幅度控制电路设计

本文设计的原子磁强计通过对磁场中87Rb原子的拉莫尔进动频率的测量来获得磁场的大小，用于对地磁场的测量，87Rb 原子在地磁场环境中的拉莫尔进动频率约350kHz，为了降低温控系统加热电流产生的磁场噪声，温控系统高频加热电流的频率设置为1MHz，远高于350kHz。高频信号的产生及幅度控制电路如图8所示，主控制器为现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），无源滤波器将FPGA 产生的1MHz 方波信号转换成正弦波后输入衰减器HSMP－3816的RFin／out端口，数模转换器LTC2602 将FPGA 输出的控制信号转换为模拟量后输入至衰减器的Series bias 端口，从而改变衰减器的衰减率，实现对高频加热信号幅度的控制。

图8 高频信号产生及幅度控制电路图Fig.8 High frequency signal generation and amplitude control circuit

2.4 功率放大电路

原子磁强计原子气室工作在约65℃，经实验测试，将图4所示的原子气室温度控制在65℃需要的高频信号峰峰值约30V，高频信号产生及幅度控制电路输出的高频信号峰峰值不超过3.3V，远低于将原子气室控制在65℃时所需要的高频信号幅度，因此需要通过功率放大电路对高频信号进行功率放大。 高频信号的功率放大电路如图9所示，放大芯片应具有高输出电压、高增益带宽等特点，本文选用APEX 公司的PA96 来实现对高频信号的功率放大，PA96 功放芯片输出电压最高达300V，最大输出电流为1. 5A，增益带宽积175MHz［8］。 实际应用中，我们采用±24V 电源供电，电压放大倍数由R9和R8 确定。

图9 功率放大电路图Fig.9 Power amplifier

3 实验结果与分析

3.1 加热器件磁场抑制性能测试

我们加工了方形蛇形的单层加热丝加热膜和双层加热丝加热膜，同层加热丝之间的距离为0.25mm，层间加热丝之间的距离为0.07mm，如图10所示。

图10 方形蛇形双层加热丝加热膜示意图Fig.10 Square serpentine double-layer wire heating film

使用分辨率为1nT 的CTM －5W01B 型磁通门磁力仪分别对加工的单层加热丝加热膜和双层加热丝加热膜加热电流产生的磁场进行了测试。 将单层加热丝加热膜和双层加热丝加热膜分别紧贴于CTM－5W01B 的探头，并将探头和加热丝加热膜置于磁屏蔽中，将加热丝的输入电流缓慢地由0.01A增加至0.2A，记录CTM－5W01B 的读数如图11所示。 经过线性拟合可以计算出单层加热丝加热膜的磁场变化率为14347.89nT／A，双层加热丝加热膜的磁场变化率为881.13nT／A，方形蛇形双层加热丝加热膜相比单层加热丝加热膜的加热电流磁场抑制性能提高约16 倍。

图11 方形蛇形的单层加热丝加热膜和双层加热丝加热膜加热电流与产生磁场的关系示意图Fig.11 The relationship between heating current and magnetic field of square serpentine single-layer wire heating film and double-layer wire heating film

3.2 无磁加热温控系统温控性能

将原子磁强计原子气室的控制温度设置为约65℃，同时改变原子磁强计的环境温度来测试本文设计的无磁加热温控系统的控温能力。 测试结果如图12所示，其中图12（a）为环境温度，图12（b）为原子气室温度，图12（c）为对采集到的温度信号实施滑动平均后的温度数据。 实验结果表明，环境温度变化约2.5℃的情况下，原子气室温度变化约0.003℃，温控系统的温控能力达到1.2‰；通过计算，滤波前原子气室温度的标准差为7. 69 ×10－4℃，滤波后标准差为7.01 ×10－5℃。

图12 原子磁强计原子气室无磁加热温控系统温控性能测试结果波形图Fig.12 Temperature control performance of non-magnetism heating temperature control system for atomic vapor cell of atomic magnetometer

4 结束语

针对原子磁强计原子气室温控系统无磁加热的需求，设计了双层加热丝加热膜结构的加热器件，相比于单层加热丝加热膜结构的加热器件，双层加热丝加热膜加热器件利用同层平行反向电流和层间平行反向电流产生的磁场相互抵消，提高了加热电流磁场噪声抑制能力；仿真计算了方形螺旋结构、方形蛇形结构和圆形螺旋结构的双层加热丝加热膜的加热电流产生的磁场，结果表明方形蛇形结构的双层加热丝加热膜的加热电流磁场噪声抑制性能优于方形螺旋结构和圆形螺旋结构的双层加热丝加热膜的加热电流磁场噪声抑制性能。 采用了滑动平均滤波器对温度采集电路的随机噪声实施了滤波处理，结合设计的高频加热信号的产生电路、幅度控制电路和功率放大电路进行了测试，结果表明方形蛇形结构的双层加热丝加热膜与单层加热丝加热膜相比，加热电流磁场噪声抑制能力提高了约16 倍，实现的原子磁强计原子气室无磁加热温控系统温控能力达到1.2‰。